Вальцевание полимерного материала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Краткая характеристика вальцевания и описание конструкции валков

2. Качественное описание физической сущности процесса вальцевания

3. Гидродинамическая теория изотермического вальцевания полимеров, обладающих свойствами ньютоновской жидкости

Литература

вальцевание гидродинамический полимер ньютоновский

1. Краткая характеристика вальцевания и описание конструкции валков

Вальцевание -- периодический процесс, применяемый для пластикации каучука, приготовления различных смесей, для введения в основной материал (каучук или смолу) пластификаторов, наполнителей, красителей вулканизующих групп и т. д. Вальцы -- это аппарат для смешения, в котором перемешивание материала осуществляется в зазоре между параллельно расположенными, вращающимися навстречу друг другу полыми цилиндрами (валками), как показано на рис.1.

Вальцы подразделяются на лабораторные (диаметр валков меньше 225 мм), частным случаем которых являются микровальцы (диаметр валков 40 мм, длина валков 140 мм), и производственные (диаметр валков от 300 до 800 мм).

По назначению вальцы делятся на: смесительные и листовальные, применяемые для пластикации каучука и смешения полимеров с различными твердыми и жидкими ингредиентами, а также для получения листов резиновой смеси (листование); регенераторносмесительные-- для обработки вулканизата (измельченного регенерата); подогревательные -- для разогрева и пластикации резиновых смесей, подаваемых к каландру или шприц-машине; дробильные вальцы (крекер)--для грубого дробления регенерируемой резины; размалывающие -- для тонкого дробления твердых сыпучих материалов; рафинировочные -- для очистки регенерата от посторонних включений.

Принципиальная схема обычных двухвалковых вальцов представлена на рис.1. Подлежащие смешению компоненты (полимер, пластификаторы, измельченные твердые ингредиенты, такие как сажа, мел, асбест) загружаются в зазор, в котором за счет интенсивной деформации сдвига, сопровождающейся сильным тепловыделением, происходит смешение. Валки 1 обычно изготовляют из кокильного чугуна. Рабочая поверхность отбеливается на глубину 15--18 мм; при этом твердость поверхности по Бринеллю должна составлять 3,0--4,5 кН/мм. Наружная поверхность валков шлифуется до класса чистоты У7--У9. На поверхности валковдробильных вальцов под углом 7--11° наносится рифление глубиной 4,5--6 мм и шириной 4,5--15 мм; края валков оставляют гладкими. Валки рафинировочных вальцов имеют бочкообразную форму, обеспечивающую выдавливание твердых частиц вдоль образующей на край валка. Величина бочки (бомбировка) может составлять ог 0,075 до 0,375 мм. У вальцов, предназначенных для переработки термочувствительных материалов, валки снабжают системой интенсивного теплообмена -- каналами, расположенными непосредственно у поверхности валка (сверленые или фрезерованные), в которых с большой скоростью циркулирует охлаждающая жидкость.

Рисунок- 1 Схема вальцов.

Обычно при вальцевании каучука и резиновых смесей валки охлаждают водой с температурой 283--285 К; только на период пуска во избежание перегрузки валки разогревают до рабочей температуры (333--353 К), пропуская через внутреннюю полость пар. При вальцевании пластмасс валки вальцов обогревают в течение всего процесса вальцевания.

Валки соединены между собой шестернями. В зависимости от назначения вальцов частота вращения валков может быть одинаковой или различной. В последнем случае частота вращения заднего валка Пг выше, чем переднего И. Отношение Д1Д/2 называется фрикцией. Для регулирования зазора между валками подшипники переднего валка 5 могут перемещаться при помощи регулировочных винтов 3 в проемах станины 2. От смещения вверх подшипники удерживаются траверсами 8, которые крепятся к станине болтами. Для правильной установки зазора регулировочные винты снабжены указательными шкалами.

На вальцах с большими диаметром и длиной валков привод регулирующих винтов осуществляется от специальных электродвигателей. На вальцах малого размера и вальцах старых конструкций вращение винтов производится вручную. При вальцевании полимерного материала в зазоре между валками возникают распорные усилия, пропорциональные эффективной вязкости вальцуемого материала и составляющие в расчете на 1 см длины валка от 3500 до 11 000 Н. Для предотвращения поломки валков на концах регулировочных винтов установлены предохранительные шайбы, срезающиеся при перегрузке. Валки вальцов обычно устанавливаются в подшипниках скольжения. Смазка подшипников циркуляционная (от специального насоса или от лубрикатора). Для отвода тепла корпус подшипника снабжен рубашкой, охлаждаемой водой.

Для предотвращения попадания вальцуемого материала в подшипники на концах валков устанавливают профильные пластины 10, называемые «ограничительными стрелками», каждая из которых состоит из двух половин, укрепленных соответственно на подшипнике переднего и заднего валков. На одной из половин стрелки установлена стальная планка, перекрывающая зазор, образующийся между стрелками при раздвижении валков. В большинстве случаев привод осуществляется от электродвигателя переменного тока. Привод может быть групповым и индивидуальным.

Специфическая особенность работы привода вальцов состоит в широком диапазоне изменения потребляемой вальцами мощности. Так, при пластикации натурального каучука на промышленных вальцах максимальное значение мощности достигает 180 кВт при среднем значении 140 кВт. При групповом приводе несколько (обычно двое) вальцов приводятся от одного мощного асинхронного электродвигателя, соединенного с ведущим валом через редуктор. Групповой привод позволяет снизить установленную мощность и способствует увеличению соз ф агрегата.

В случае индивидуального привода используют двигатель, опрокидывающий момент которого рассчитывается по максимальной нагрузке. Это требует примерно 1,5-кратного запаса по сравнению со средним значением мощности, потребляемой в течение рабочего цикла. Завышение установочной мощности приводит к уменьшению соз ф агрегата. Поэтому на крупных предприятиях индивидуальный привод почти не применяется.

Вальцевание сопровождается протеканием комплекса процессов как физического (нагревание, деформирование, ориентация), так и химического характера (различные виды деструкции, реакции макрорадикалов, окисление, прививка, структурирование). В результате интенсивного деформирования полимерного материала в зазоре вальцов выделяется значительное количество тепла; наряду с этим иод влиянием напряжений сдвига в зазоре происходит ориентация макромолекул, следствием которой является анизотропия свойств пленки, полученной с вальцов.

Механические напряжения снижают энергетический барьер реакции инициирования окислительных процессов и облегчают протекание термоокислительной и термической деструкции. Под влиянием механических напряжений в зазоре может происходить механохимический крекинг полимера, особенно активно протекающий при умеренных и низких температурах. Этот процесс носит радикальный характер, что подтверждается соответствием степени деструкции полимера по молекулярной массе и степени расхода акцепторов свободных радикалов. Образующиеся макрорадикалы могут рекомбинировать или взаимодействовать с другими макромолекулами (с образованием блок- и привитых сополимеров, пространственно-структурированных полимеров) или дизактивироваться в результате реакции с ингибитором.

В некоторых случаях при вальцевании может иметь место так называемое химическое течение, состоящее в разрыве цепей и межмолекулярных связей под воздействием механических напряжений, перемещении образовавшейся системы макрорадикалов и их рекомбинации.

2. Качественное описание физической сущности процесса вальцевания

Рассмотрим движение полимера в зоне между двумя вращающимися валками (рис.2). Будем исходить из того, что вследствие прилипания наружный слой материала движется вместе с поверхностью валка. Из-за наличия сил внутреннего трения наружный слой увлекает прилегающие к нему слои, и вся масса материала начинает втягиваться в зазор. Поскольку площадь поперечного сечения зазора по мере удаления от .входного сечения (поверхность А -- А) все время уменьшается, а обрабатываемый материал практически несжимаем, скорости движения слоев материала, расположенных на разных расстояниях от поверхности валка, оказываются различными. Распределение скоростей в зазоре между валками для сечений, расположенных на разном расстоянии от входа в зазор, показано на рис.3.

Поскольку скорость сдвига однозначно связана с напряжением сдвига, в различных точках находящегося в зазоре материала действуют разные напряжения сдвига, абсолютное значение и направление которых меняется в зависимости от места расположения и режима (скорость, зазор, температура).

Рисунок 2 - Схема процесса вальцевания

Рисунок 3 - Распределение скоростей и давления в вальцуемом материале

Таким образом, материал, проходящий через зазор вальцов, подвергается воздействию напряжений сдвига и претерпевает существенные по величине деформации сдвига. При этом материал, находящийся в области А (см. рис. IX. 6), участвует как в поступательном, так и в циркуляционном движении. Существование области циркуляционного течения и областей с различной ориентацией скорости сдвига и обусловливает возможность применения вальцов для смешения. Смешение происходит в зазоре вальцов вследствие того, что вальцуемый материал подвергается большим сдвиговым деформациям, которым сопутствует периодическая переориентация расположения поверхностей раздела вследствие циркуляционного течения в области А и существования областей разноориентированных деформаций сдвига.

Для более эффективного смешения применяют вальцы с фрикцией, наличие которой интенсифицирует циркуляционное течение в области А. Так как перемешивание материала происходит только в плоскости, нормальной к оси валков, для выравнивания продольного распределения концентраций смешиваемых ингредиентов вальцуемый материал периодически снимается с поверхности валка, скручивается в рулон, который поворачивается на 90°, и затем вновь пропускается в зазор между валками. Таким образом достигается переориентация смешиваемого полимера относительно направления деформации. Дальнейшее вальцевание обеспечивает выравнивание концентраций в направлении, которое не охватывалось в предыдущем цикле.

Возникновение в проходящем через зазор материале значительных напряжений сдвига позволяет кроме смешения осуществлять при вальцевании и операцию диспергирования. Вследствие этого вальцевание используют не только для смешения, но и для диспергирования в полимере твердых и жидких ингредиентов (сажа, вулканизующие группы, мягчители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и т. п.). Поскольку процесс диспергирования происходит тем интенсивнее, чем больше напряжение сдвига, а уровень напряжений сдвига в свою очередь однозначно определяется значением эффективной вязкости, диспергирующее вальцевание следует вести при минимально возможных температурах, так как при этом вязкость, а следовательно и напряжение сдвига, максимальны.

Описанные выше изменения в характере течения материала, находящегося в зазоре, проявляются в изменении гидростатического давления. Типичная кривая распределения давления Р(х), полученная при экспериментальном исследовании процесса вальцевания, приведена на рис.4 . Из сопоставления поля скоростей с эпюрой давления следует, что трансформация поля скоростей сопровождается увеличением давления, достигающим в какой-то точке максимума.

Рисунок 4 - Распределения напряжений сдвига в зазоре между палками

Такая форма профиля скоростей показывает, что силы, возникающие вследствие гидростатического давления и действующие с одной стороны сечения, полностью уравновешиваются аналогичными силами, действующими с другой стороны этого сечения. Следовательно, напряжение сдвига в этом сечении равно нулю, и материал движется подобно твердой пробке, не подвергаясь никаким деформациям сдвига. При дальнейшем движении материала это равновесие нарушается, и центральные слои начинают двигаться с большей скоростью, чем слои, прилегающие к поверхности валков. Максимальная разница достигается в минимальном сечении, расположенном на линии, соединяющей центры валков. Дальнейшее движение сопровождается торможением центральных слоев. Наконец, на выходе из зазора избыточное давление падает до нуля, а профиль скоростей вновь принимает прямоугольную или трапециевидную форму.

Из изложенного выше очевидно, что вальцевание представляет собой политропический процесс деформации среды, обладающей как аномалией вязкости, так и высокоэластичностью. В то же время известно, что все существующие математические модели вальцевания совершенно игнорируют процесс теплопередачи и построены в изотермическом приближении. Наиболее распространены гидродинамические теории, моделирующие вальцевание полимеров течением вязкой ньютоновской жидкости .

3. Гидродинамическая теория изотермического вальцевания полимеров, обладающих свойствами ньютоновской жидкости

Первые попытки создания математической теории вальцевания полимеров, основанной на моделировании среды вязкой ньютоновской жидкостью, можно найти уже в работах Ардичвили и Кузнецова. Несколько позже гидродинамический анализ процесса вальцевания был независимо проведен в США Гаскеллом [14], а в СССР -- Торнером и Добролюбовым. Все эти подходы, по существу, аналогичны подходу, содержащемуся в ранней работе Мещерского, посвященной гидродинамической аналогии прокатки металла, идея которой прекрасно развита в работе Тарга . Для вывода основных уравнений теории изотермического вальцевания рассмотрим схему движения, приведенную на рис. 3. Дифференциальные уравнения движения материала записываем в форме уравнения Стокса без учета массовых сил (считаем, что жидкость несжимаема, траектории частиц материала мало отличаются от параллельных, квадратичными членами инерции пренебрегаем):

(1)

Принимая, что материал прилипает к поверхности валков, сформулируем граничные условия:

(2)

Далее, полагая, что члены вида дьх/дх и дюУ1дх пренебрежимо малы, и принимая, что дР/дх » дР/ду, сведем уравнение. (IX. 1) к форме, аналогичной уравнению Рейнольдса:

(3)

Следовательно, смещение сечения нулевых напряжений сдвига тем больше, чем больше Я, т. е. чем выше фрикция. Интегрируя уравнение (4), получим для случая Я = 0 (окружная скорость валков одинакова):

(4)

При наличии фрикции (л? 0) постоянная интегрирования, определенная из условий прилипания, равна:

(5)

Подставляя это выражение в уравнение (4), получим:

(6)

При отсутствии фрикции интегрирование этого уравнения дает для объемного расхода следующее выражение:

(7)

При наличии фрикции объемный расход равен:

(8)

Для вальцов с фрикцией величина продольного градиента давлений определится выражением, аналогичным:

(9)

Интегрируя уравнение (9), получим выражение, описывающее распределение давлений в зазоре:

(10)

Постоянная интегрирования С определяется из граничного условия

(11)

Литература

1. Зильверст Я.Я., Синцов А.А. Машины резинового производства. М. -- Л., Госхимиздат, 1946. 407 с.

2. Торнер Р.В. Энциклопедия полимеров. М., «Советская энциклопедия», 1971, с. 1224.

3. Машины и аппараты резинового производства. Под ред. Д. М. Барскова. М., «Химия», 1975. 600 с.

4. Торнер Р.В. Основные процессы переработки полимеров. М., «Химия», 1972. 453. с.

5. Козулин Н.А., Шапиро А.Я., Гавурин П.К. Оборудование заводов для производства пластических масс. Л., Госхимиздат, 1963. 783 с.

6. Каргин В.А., Соголова Т.А., ДАН СССР, 1956, т. 108, № 4, с. 662--665.

7. Торнер Р.В., Добролюбов Г.В., «Каучук и резина», 1958, № 4, с. 6--9.

8. Маленко К.С., Уласенко В.Ф., «Каучук и резина», 1965, № 2, с. 31; в кн.: Оборудование для переработки полимеров». Киев, «Техника», 1964, с. 112-- 120.

9. Красовский В.Н. и др. В кн.: Машины и технология переработки полимеров. Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1972, с. 3-- 10.

10. Бенин Н.Г., Немытков В.А., «Каучук и резина», 1966, № 10, с. 31--33.

11. Мещерский И.В. Гидродинамическая аналогия прокатки. Т. XXVIII. Петроград, Первый петроград. политехи, ин-т, 1919.

12. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. М., Гостехиздат, 1951. 156 с.

13. Асискаии С., «Кадзсьик», 1938, В 6. 14, № 1, 5. 23--29.

14. Маршалл Д.И. В кн.: Переработка термопластичных материалов. Под ред. Э. Бернхардта. М., Госхимиздат, 1965, с. 428--456.

15. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М., «Химия», 1965. 442 с.

16. Кузнецов Л.Н., «Каучук и резина», 1939, № 3, с. 70----78.

17. Торнер Р.В., Гудкова Л. Ф., ЖВХО ,ш. Д.И. Менделеева, 1965, т. 10, № 2, с. 122-- 130.

18. Козачек А.А. Полимерное и резинообрабатывающее оборудование. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1966, вып. 1, с. 61--65.

Размещено на Allbest.ru